CN106225983B - 制动器制动力矩的在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制动器制动力矩的在线检测方法及装置，其中，方法包括：在线调节制动器性能参数，以调节制动器松闸力矩，从而改变制动器的合力矩，以使被制动电机不被堵转并稳定运行在额定工作点；在线获取稳定运行在额定工作点的被制动电机的电机输出转矩；在线获取制动器的制动器松闸力矩；以及根据电机输出转矩和制动器松闸力矩实时计算制动器的制动力矩，其中，制动器松闸力矩T_R的具体计算公式为：T_R＝k_Tθ_B ²，k_T为比例系数；θ_B为制动器的工作参数。本发明能够实现制动器制动力矩的定量、准确、实时、在线检测，并能够实现制动器的故障预测。

Description

制动器制动力矩的在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及制动器检测技术，尤其涉及一种制动器制动力矩的定量测量方法，具体来说就是一种制动器制动力矩的在线检测方法及装置。

背景技术

制动力矩是衡量制动器工作性能的最重要指标。在实际应用中，常常由于制动瓦退距过大、制动材料油污或过热烧灼、制动弹簧疲劳老化等原因，导致制动器因制动力矩不足而出现制动性能下降或无法制动的故障，严重时甚至造成冲顶、溜车等事故，导致经济损失、人员伤亡。因此，检测制动器的制动力矩，并判别当前制动力矩是否足够安全、是否会发生故障等，对于保障设备可靠运行、工业正常生产、人员安全健康等具有重要的意义。

目前，制动力矩的检测一般依靠人工的日常巡检与定期检验，当发现制动力矩不满足要求时，根据检验人员的经验判别故障的原因，并在停机后通过进一步检查或拆卸，确认故障部位后进行维修或更换。这种“人工巡检、停机检查、事后维修”的方式，存在检测工作任务重、检测结果不定量、安全状况难掌握、故障发现不及时、维修更换效率低等问题，严重影响工业生产、物料运输、日常生活等的效率、经济和安全，因此本领域寻求一种低成本的、定量的、实时在线的制动力矩检测方法已迫在眉睫。

为此，国内外一些公司及研究人员针对制动力矩的在线检测或监测、故障的判别与预测等开展了研究，并提出了一些新方法、新技术。然而，现有方法或技术在实施可行性、适用范围、实施成本、推广难度、技术实用性等方面还存在一些问题和不足，现有主要检测方法及存在的问题概括如下：

(1)现有的一种制动力矩检测方法是通过在制动瓦上安装应变片或压力传感器来测量制动正压力，并进而实现制动力矩的在线检测。然而，制动力矩不仅与制动正压力有关，还与制动材料的摩擦系数有很大关系。若制动衬垫被油垢污染或过热烧灼，会造成摩擦系数严重下降，并导致制动力矩的不足。而这类检测方法仅能测量制动正压力的大小，无法检测制动材料摩擦系数是否下降，因此难以准确、定量测量制动力矩的大小。

(2)现有的另外一种制动力矩检测方法采用间接测量的方式，在制动器抱闸状态下，利用变频器给被制动电机施加不同的测试转矩，并通过观察电机是否产生滑移来实现制动力矩的检测。然而，这类检测方法仅适用于电梯等具有变频器和编码器的大型复杂设备，对于电动葫芦、普通塔吊等小型简易的电机设备来说很难直接适用，需额外增加变频器、编码器等设备，不仅实现成本高，而且存在引入新故障的风险。其次，采用这类检测方法需要对变频器的控制程序进行更改和联动调试，实际应用时实施和推广难度较大。此外，对于位能型负载工作机构的制动器，其制动力矩一般要大于电机额定转矩的数倍(通常为2～3倍)，若变频器输出的测试转矩能够克服制动力矩并使电机产生滑移，则需配备更大功率的变频器，这样导致实施成本大大增加，而且由于检测过程中电机经常处于堵转状态，存在因堵转电流过大或堵转时间过长导致电机烧毁的风险。

(3)现有的还有一种制动力矩检测方法采用制动距离或下滑量、制动时间、制动加速度等作为制动力矩检测的特征参数，通过测量这些特征参数的变化实现制动力矩的安全性能检测和故障判别。然而，这类检测方法由于难以准确测量制动时间，导致制动加速度、制动距离等参数的准确性受到影响，因此仅能定性地判别制动力矩是否发生变化，无法实现定量、准确的在线检测。此外，实际应用中由于电源电压波动频繁且无规律，各个特征参数的测量准确性也受到很大影响，其检测方法的可行性和检测结果的可靠性还存在一定问题。

基于现有的制动力矩检测方法的现状，本领域技术人员亟需研发一种制动器制动力矩的在线检测方法，从而实现制动力矩的定量检测。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种制动器制动力矩的在线检测方法及装置，解决了现有制动力矩检测方法不能定量、准确测量制动器制动力矩的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种制动器制动力矩的在线检测方法，包括：在线调节制动器性能参数，以调节制动器松闸力矩，从而改变制动器的合力矩，以使被制动电机不被堵转并稳定运行在额定工作点；在线获取稳定运行在所述额定工作点的所述被制动电机的电机输出转矩；在线获取所述制动器的所述制动器松闸力矩；以及根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩，其中，所述制动器松闸力矩T_R的具体计算公式为：T_R＝k_Tθ_B ²，k_T为比例系数；θ_B为制动器的工作参数。

本发明的具体实施方式还提供一种制动器制动力矩的在线检测装置，包括：调节单元，用于在线调节制动器的合力矩，使被制动电机不被堵转并稳定运行在额定工作点；第一获取单元，用于在线获取稳定运行在额定工作点的所述被制动电机的电机输出转矩；第二获取单元，用于在线获取所述制动器的制动器松闸力矩；以及计算单元，用于根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩，其中，所述第二获取单元进一步包括：第二测量模块，用于在线测量所述制动器的工作参数；以及第二计算模块，用于基于所述制动器的所述工作参数在线计算所述制动器松闸力矩，所述制动器松闸力矩T_R的具体计算公式为：T_R＝k_Tθ_B ²，k_T为比例系数；θ_B为制动器的工作参数。

根据本发明的上述具体实施方式可知，制动器制动力矩的在线检测方法及装置至少具有以下有益效果：由于制动器通常与电机安装在一起，制动器的制动力矩的大小、制动性能的好坏将直接反映在电机的工作参数上，因此，本发明将制动器与被制动电机看作一个整体，通过将制动器的制动力矩作为电机的负载转矩，并利用被制动电机作为力矩检测器，实现制动器制动力矩的定量、准确、实时、在线检测；并且根据获得的制动器制动力矩，可以判断制动器制动力矩是否有足够的安全裕量，可为制动器的安全性能检测与故障预测、故障判别与处理等提供定量、准确的参考，对于实时监控制动器安全状况，保障设备的可靠运行和人员的安全，开展制动器的预防性维修工作，提高生产效率，减少安全事故的发生等方面具有重要的作用。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的实施例一的流程图；

图2为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的实施例二的流程图；

图3为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的实施例三的流程图；

图4为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测装置的实施例一的示意框图；

图5为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测装置的实施例二的示意框图；

图6为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测装置的实施例三的示意框图；

图7为本发明具体实施方式提供的三相交流异步电机的工作特性曲线及实际工作点；

图8为本发明具体实施方式提供的三相交流异步电机的工作效率曲线；

图9为本发明具体实施方式提供的交流同步电机的工作效率曲线；

图10为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的实施例四的流程图；

图11为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的自学习流程图；

图12为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测及故障预测装置的示意框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

图1为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的实施例一的流程图，如图1所示，将制动器与被制动电机看作一个制动器制动力矩测量的整体，将被制动电机作为力矩检测器，制动器作为被制动电机的负载，通过在线调节制动器作用在被制动电机上的合力矩(制动力矩与制动器松闸力矩之差)，使被制动电机不被堵转，并在该合力矩作用下稳定运行在额定工作点附近；然后，通过实时获取被制动电机的电机输出转矩，并根据电机转矩与制动力矩之间的关系，计算获得制动力矩的值，实现制动器制动力矩在线、实时、定量测量。

该附图所示的具体实施方式包括：

步骤101：在线调节制动器的合力矩，使被制动电机不被堵转并稳定运行在额定工作点附近。本发明将制动器和被制动电机看成一个整体，将被制动电机作为力矩检测器或传感器，把制动器作为被制动电机的负载；通过在线调节制动器的相关工作参数来改变制动器的合力矩，从而使被制动电机不被堵转，并稳定运行在额定工作点附近。

步骤102：在线获取稳定运行在额定工作点附近的所述被制动电机的电机输出转矩。本发明的具体实施例中，所述被制动电机包括：三相交流异步电机、交流同步电机和直流电机。其中，所述被制动电机为三相交流异步电机时，所述电机输出转矩T_e的具体计算公式为：

其中，U₁为三相交流异步电机的相电压；I₁为三相交流异步电机的相电流；

为三相交流异步电机的功率因数；U_1N为三相交流异步电机的额定相电压；I_1N为三相交流异步电机的额定相电流；

为三相交流异步电机的额定功率因数；T_N为三相交流异步电机的额定电机输出转矩。

所述被制动电机为交流同步电机时，所述电机输出转矩T_e的具体计算公式为：

其中，为交流同步电机的相电压U₁；为交流同步电机的相电流I₁；

为交流同步电机的功率因数；n₁为交流同步电机的同步转速；η_N为交流同步电机的额定效率。

所述被制动电机为直流电机时，所述电机输出转矩T_e的具体计算公式为：

其中，T_N为直流电机的额定电机输出转矩，I_aN为直流电机的额定电流；I_a为直流电机的电枢电流；I_a0为直流电机的空载电流。

步骤103：在线获取所述制动器的制动器松闸力矩。本发明的具体实施例中，所述制动器松闸力矩T_R的具体计算公式为：

T_R＝k_Tθ_B ²

其中，k_T为比例系数，通过自学习方式获得；θ_B为制动器的工作参数。具体来说，当所述制动器为直流驱动型电磁制动器时，θ_B为直流驱动型电磁制动器的绕组电流I_B；当所述制动器为交流驱动型电磁制动器时，θ_B为交流驱动型电磁制动器的绕组电压U_B；当所述制动器为电力液压制动器时，θ_B为电力液压制动器的推动器电机转速n_B。

步骤104：根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩。本发明的具体实施例中，制动力矩为被制动电机的电机输出转矩和制动器的制动器松闸力矩之和。

参见图1，将制动器与被制动电机看作一个整体，通过将制动器的制动力矩作为电机的负载转矩，并利用被制动电机作为力矩检测器，可以实现制动器制动力矩的定量、准确、实时、在线检测。

图2为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的实施例二的流程图，如图2所示，根据额定制动力矩以及获得的制动力矩预测制动器的故障，为制动器的安全性能检测与故障预测、故障判别与处理等提供定量、准确的参考。

该附图所示的具体实施方式中，步骤104之后，该方法还包括：

步骤105：根据所述制动器的所述制动力矩和额定制动力矩对所述制动器进行故障预测。本发明的具体实施例中，将获得的制动力矩T_B与制动器的额定制动力矩T_BN进行比较，并根据

的大小，将制动器的制动力矩故障分为“性能优良”、“性能达标”、“一般故障”、“严重故障”四个等级。由于能够定量测量，还可以预知还剩多少安全余量。

参见图2，利用获得的制动力矩进行制动器的制动力矩故障判断及预测，可为制动器的安全性能检测与故障预测、故障判别与处理等提供定量、准确的参考，对于实时监控制动器安全状况，保障设备的可靠运行和人员的安全，开展制动器的预防性维修工作，提高生产效率，减少安全事故的发生等方面具有重要的作用。

图3为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测方法的实施例三的流程图，如图3所示，根据被制动电机的额定参数和被制动电机的实时运行参数计算被制动电机的电机输出转矩；根据制动器的工作参数计算制动器松闸力矩。

该附图所示的具体实施方式中，步骤102具体包括：

步骤1021：在线测量所述被制动电机的实时运行参数。本发明的具体实施例中，实时运行参数具体包括：被制动电机的电压、被制动电机的电流或被制动电机的转速等。例如，对于三相异步电机来说，如果有转速传感器，那么就测量转速，如果没有转速传感器，就仅测电流、电压即可。

步骤1022：根据所述被制动电机的额定参数和所述实时运行参数计算所述被制动电机的电机输出转矩。实时运行参数就是被制动电机工作过程中实际输出参数。被制动电机的额定参数具体包括：额定电压、额定电流、额定功率因数、额定转速、额定转矩、额定效率等。

步骤103具体包括：

步骤1031：在线测量所述制动器的工作参数。

步骤1032：基于所述制动器的所述工作参数在线计算所述制动器松闸力矩。

参见图3，由于被制动电机的额定参数已知，被制动电机的实时运行参数可以直接测量获得，因此，能够实时、简单、低成本地获取电机输出转矩；由于制动器的工作参数可以实时测量得到，制动器松闸力矩可以计算得出，因此，无需安装其他的力矩传感器，即可实时、定量、低成本地获取制动器松闸力矩，并进而用于计算制动力矩。

图4为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测装置的实施例一的示意框图，如图4所示的装置可以应用到如图1-图3所示的检测方法中，将制动器与被制动电机看作一个制动器制动力矩测量的整体，将被制动电机作为力矩检测器，制动器作为被制动电机的负载，通过在线调节制动器作用在被制动电机上的合力矩(制动力矩与制动器松闸力矩之差)，使被制动电机不被堵转，并在该合力矩作用下稳定运行在额定工作点附近；然后，通过实时获取被制动电机的电机输出转矩，并根据电机转矩与制动力矩之间的关系，计算获得制动力矩的值，实现制动器制动力矩在线、实时、定量测量。

该附图所示的具体实施方式中，该装置包括调节单元1、第一获取单元2、第二获取单元3和计算单元4，其中，调节单元1用于在线调节制动器的合力矩，使被制动电机不被堵转并稳定运行在额定工作点附近；第一获取单元2用于在线获取稳定运行在额定工作点附近的所述被制动电机的电机输出转矩；第二获取单元3用于在线获取所述制动器的制动器松闸力矩；计算单元4用于根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩。

参见图4，将制动器与被制动电机看作一个整体，通过将制动器的制动力矩作为电机的负载转矩，并利用被制动电机作为力矩检测器，可以实现制动器制动力矩的定量、准确、实时、在线检测。

图5为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测装置的实施例二的示意框图，如图5所示，根据额定制动力矩以及获得的制动力矩判断制动器的故障，为制动器的安全性能检测与故障预测、故障判别与处理等提供定量、准确的参考。

该附图所示的具体实施方式中，该装置还包括预测单元5，其中，预测单元5用于根据所述制动器的所述制动力矩和额定制动力矩判断所述制动器的故障。

参见图5，利用获得的制动力矩进行制动器的制动力矩故障预测及判断，可为制动器的安全性能检测与故障预测、故障判别与处理等提供定量、准确的参考，对于实时监控制动器安全状况，保障设备的可靠运行和人员的安全，开展制动器的预防性维修工作，提高生产效率，减少安全事故的发生等方面具有重要的作用。

图6为本发明具体实施方式提供的一种制动器制动力矩的在线检测装置的实施例三的示意框图，如图6所示，根据被制动电机的额定参数和被制动电机的实时运行参数计算被制动电机的电机输出转矩；根据制动器的工作参数计算制动器松闸力矩。

该附图所示的具体实施方式中，所述第一获取单元2进一步包括第一测量模块21和第一计算模块22，其中，测量模块21用于在线测量所述被制动电机的实时运行参数；计算模块22用于根据所述被制动电机的额定参数和所述实时运行参数计算所述被制动电机的所述电机输出转矩。

所述第二获取单元3进一步包括第二测量模块31和第二计算模块32，其中，第二测量模块31用于在线测量所述制动器的工作参数；第二计算模块32用于基于所述制动器的所述工作参数在线计算所述制动器松闸力矩。

参见图6，由于被制动电机的额定参数已知，被制动电机的实时运行参数可以直接测量获得，因此，能够实时、简单、低成本地获取电机输出转矩；由于制动器的工作参数可以实时测量得到，制动器松闸力矩可以计算得出，因此，无需安装其他的力矩传感器，即可实时、定量、低成本地获取制动器松闸力矩，并进而用于计算制动力矩。

1.制动器合力矩的在线调节方法

制动器作用于电机上的合力矩可分为两部分，一个是制动力矩T_B，即由制动力产生的力矩；另一个是松闸力矩T_R，即由制动器的松闸力产生的力矩；T_B与T_R方向相反，二者之差即为作用在电机上的合力矩，记为T_a：

T_a＝T_B-T_R (1.1)

对于常闭式制动器时，通常其制动力矩T_B由制动弹簧的弹力产生，松闸力矩T_R由电磁力或液压推动力产生。

由于弹簧力一般不能实时、在线调节，而电磁力或液压推动力可通过改变制动器工作参数θ_B(如绕组电流I_B、绕组电压U_B、推动器电机转速n_B)来实现实时、在线调节。因此，本发明通过在线调节制动器工作参数，来改变电磁力或液压推动力，使得松闸力矩T_R发生改变，并进而改变合力矩。其中：

若为直流驱动型电磁制动器，其松闸力由电磁拉力所产生。由于制动器在处于制动状态时，电磁铁的工作气隙不变，电磁拉力仅与绕组电流的平方成正比。因此，可通过改变制动器的绕组电流，来使得制动器的松闸力矩发生改变，从而实现制动器合力矩的调节。

若为交流驱动型电磁制动器，其松闸力由电磁拉力所产生。由于交流电磁铁的电磁拉力仅与绕组电压的平方成正比，因此，可通过改变制动器的绕组电压，来使得制动器的松闸力矩发生改变，从而实现制动器合力矩的调节。

若为电力液压制动器，其松闸力由液压推动力所产生。由于电力液压制动器的液压推动力与推动器电机转速的平方成正比，因此，可通过改变推动器电机的转速，来使得制动器的松闸力矩发生改变，从而实现制动器合力矩的调节。

制动器合力矩的在线调节方法为：通过在线调节制动器的工作参数(绕组电流，绕组电压，或推动器的电机转速)，来改变制动器的松闸力矩，从而改变作用在电机上的合力矩。不同类型的制动器，合力矩调节方法分别如下：

①直流驱动型电磁制动器

通过在线调节绕组电流来改变电磁拉力，使松闸力矩发生改变，并进而改变制动器合力矩。具体实现方式为：

在制动器绕组回路中串联IGBT(绝缘栅双极型晶体管)(IGBT的通断由PWM(脉冲宽度调制)信号控制)。通过调节PWM的占空比改变IGBT的通断周期，使得绕组电流I_B发生改变。在制动状态时，由于电磁铁的工作气隙不变，电磁拉力F_e仅与绕组电流平方I_B ²成正比。因此，在线调节I_B时，F_e也将随之改变，从而使得合力矩发生改变，实现制动器合力矩的在线调节。

②交流驱动型电磁制动器

通过在线调节绕组电压改变电磁拉力，使松闸力矩发生改变，并进而改变制动器合力矩。具体实现方式为：

在制动器绕组回路中串联双向可控硅，通过改变双向可控硅的导通周期来改变绕组电压U_B。由于交流电磁铁的电磁拉力F_e仅与绕组电压平方U_B ²成正比，因此，在线调节U_B时，F_e也将随之改变，从而使得合力矩发生改变，实现制动器合力矩的在线调节。

③电力液压制动器

通过在线调节推动器的电机转速改变液压推动力，使得松闸力矩发生改变，并进而改变制动器合力矩。具体实现方式为：

在推动器电机回路中增加变频器，并通过变频调速的方式改变推动器电机转速n_B。由于液压推动力F_T与推动器电机转速平方n_B ²成正比，因此，在线调节n_B时，F_T也随之改变，从而使得合力矩发生改变，实现制动器合力矩的在线调节。其中，表1为不同类型的制动器在线调节合力矩的方法。

表1

2.利用制动器使电机稳定运行在额定工作点附近的方法

本发明方法中，由于制动器被作为电机的负载，制动器作用在电机上的合力矩即为电机的负载力矩。因此，可通过在线调节合力矩的大小来改变电机负载力矩，进而改变电机运行的工作点。在额定点附近时，由于电机运行参数(转速、电流、功率)与额定值近似相等，因此可通过检测电机的转速、电流、功率的大小，来判断工作点是否在额定点附近。

通过在线调节制动器的工作参数(绕组电流、绕组电压、推动器电机转速)，改变制动器合力矩；实时测量电机的运行参数，并判别是否近似等于额定值；若近似相等，则表明此时电机已稳定运行在额定工作点附近；否则，继续调节制动器工作参数，直到电机运行参数近似等于额定值为止。

针对不同类型的电机，具体方法如下：

①三相交流异步电机

在线调节制动器合力矩，并实时检测电机运行参数是否等于额定值。若电机配有转速传感器，实时测量转速并判别是否与额定转速近似相等；若电机无转速传感器，则实时测量电机的电流，并判别是否近似等于额定电流。待近似相等后，停止调节合力矩，此时电机已稳定运行在额定工作点附近。

②交流同步电机

在线调节制动器合力矩，同时，实时测量电机的电压、电流，并计算电机的输出功率。将电机输出功率与额定功率相比，若近似相等，表明电机已稳定运行在额定工作点附近；否则，继续调节制动器的合力矩，直到近似相等后停止调节。

③直流电机

在线调节制动器的合力矩，同时，实时测量电机的电枢电流。将电机电流与额定电流值相比，若近似相等，表明电机已稳定运行在额定工作点附近；否则，继续调节制动器合力矩，直到电机电流近似等于额定电流为止。

3.实时获取电机输出转矩的方法

(1)三相交流异步电机

由三相交流异步电机工作原理可知，电机的输出转矩可通过下式计算：

当电机工作在额定点时，其额定输出转矩T_N为：

将式(1.2)与式(1.3)相比得：

根据异步电机工作特性曲线(如图7所示)可知，当电机稳定运行在额定工作点附近时，

其中，在图7中，

1——电机的空载运行点；2——电机的实际工作点，为额定工作点附近；3——电机的额定工作点；4——电机的机械特性曲线；5——电机稳定运行时的输出转矩：T_e＝T_a＝T_B-T_R。

此外，由异步电机的工作效率曲线可知(如图8所示)，当电机输出功率与额定功率之比

在0.6～1.2之间时，电机工作效率η基本保持不变，且近似等于额定工作效率η_N，即

当电机稳定运行在额定工作点附近时，已满足条件n≈n_N,

因此，式(1.4)可简化为：

由上式可知，通过测量电机的相电压U₁、相电流I₁的幅值及相位差

并结合电机额定参数U_1N、I_1N、T_N，即可计算出电机的输出转矩T_e。

(2)交流同步电机

交流同步电机的输出转矩可由下式计算：

根据交流同步电机的工作效率曲线可知(如图9所示)，当电机输出功率与额定功率之比

大于60％时，其工作效率η近似等于额定效率η_N。

当电机稳定运行在额定工作点附近时，其输出功率满足

的条件。因此，通过测量电机的相电压U₁、相电流I₁的幅值及相位差，并利用同步转速n₁及额定效率η_N，根据下述公式计算电机输出转矩：

(3)直流电机

直流电机的输出转矩计算公式为：

其中，k_e为比例系数，I_f为电机的励磁电流，一般情况下，k_eI_f的值不变。

I_a为电机电枢电流，

为空载电流。

由上式可知，电机输出转矩T_e与电机电流I_a成正比关系，其中，

可在空载时测量电机电流获得；k_eI_f的乘积可利用电机的额定转矩T_N除以额定电流I_aN获得：

因此，利用实时测量的电机电枢电流I_a，以及电机的额定转矩、额定电流、空载电流，即可计算获得电机的输出转矩。

电机输出转矩可通过实时测量电机运行参数(电压、电流、转速)，并利用电机的额定参数计算获得。不同类型的电机，其输出转矩的计算方法分别如下：

(1)三相交流异步电机

对于带变频器的三相交流异步电机，电机输出转矩通常能够从变频器提供的输出端口实时读取到。因此，当电机稳定运行在额定点附近时，直接实时读取变频器端口输出的力矩值，即为电机的输出转矩T_e。

对于无变频器的三相交流异步电机，可利用电机稳定运行时的相电压、相电流以及额定参数，实时计算获得电机的转矩。计算公式如下：

当电机稳定运行在额定工作点附近时，实时测量电机的相电压、相电流的幅值及相位差，可获得U₁、I₁、

的值；电机的额定参数U_1N、I_1N、

T_N一般可通过查询电机的铭牌数据或产品样本获得。

(2)交流同步电机

利用电机稳定运行时的相电压、相电流以及额定参数，可实时计算获得电机的转矩。计算公式如下：

当电机稳定运行在额定工作点附近时，实时测量电机的相电压、相电流的幅值及相位差，可获得U₁、I₁、

的值；电机的额定参数n₁、η_N一般可通过查询电机的铭牌数据或产品样本获得。

(3)直流电机

利用电机稳定运行时的电流、空载电流以及额定参数，可实时计算获得电机的转矩。计算公式如下：

当电机稳定运行在额定工作点附近时，实时测量电机的电枢电流，可获得I_a的值；电机的额定参数T_N、I_aN可通过查询电机的铭牌数据或产品样本获得；空载电流

可在电机空载运行时直接测量获得。表2给出了不同类型的电机输出转矩T_e的计算公式。

表2

4.建立电机输出转矩与制动力矩关系的方法

电机在制动器合力矩作用下稳定运行时，制动力矩T_B与电机输出转矩T_e之间有如下关系：

T_B＝T_e+T_R

其中，松闸力矩T_R与制动器的相关工作参数θ_B(绕组电流、绕组电压、推动器电机转速)的平方呈正比关系，即：

T_R＝k_Tθ_B ²

其中，k_T为比例系数，与制动衬垫的摩擦系数以及制动器的结构参数有关。

因此，电机输出转矩T_e与制动力矩T_B的关系为：

T_B＝T_e+k_Tθ_B ²

其中，θ_B可通过实时测量获得。根据制动器类型的不同，工作参数θ_B分别如下表3所示：表3为不同制动器类型对应的工作参数

表3

k_T可通过自学习方式获得(如图11所示)，方法如下：

通过在线调节参数θ_B以改变制动器的合力矩，使电机稳定运行在额定点附近的工作点1，测量并记录参数

以及电机输出转矩

再次调节参数θ_B，使电机稳定运行在额定点附近的工作点2(不同于工作点1)，测量并记录参数以及电机输出转矩

由电机输出转矩与制动力矩的关系可知，能够获得下述一组方程：

求解上述方程组，即可获得k_T的值：

5.制动力矩在线检测方法的流程(如图10所示)

(1)在系统初次安装时，或者在使用过程中检测到制动力矩发生变化时，需要执行自学习程序，计算并存储比例系数k_T的值，以建立电机输出转矩与制动力矩的关系；

(2)日常检测时，在线调节制动器工作参数θ_B(绕组电流、绕组电压或推动器电机转速)，以改变制动器作用在电机上的合力矩，使得电机不被堵转；

(3)实时测量电机的运行参数(电压、电流、转速)，并判断电机是否稳定运行在额定点附近；若未在额定点附近运行，则继续调节制动器工作参数；

(4)若已稳定运行在额定点附近，则利用电机的运行参数及额定参数，计算获得电机输出转矩T_e；同时，测量并记录制动器的工作参数θ_B(绕组电流、绕组电压或推动器电机转速)；

(5)利用获得的电机输出转矩T_e以及制动器工作参数θ_B，并根据制动力矩与电机转矩之间的关系式，计算获得制动力矩T_B，实现制动力矩的在线、实时、定量检测。

注：在制动力矩检测过程中，为使制动摩擦材料的性能不受影响，需保证检测时消耗在摩擦材料上的单次制动功小于制动器相关标准中规定的单次许用功。

6.制动力矩故障预测方法

将测量获得的制动力矩T_B与制动器的额定制动力矩T_BN进行比较，并根据的大小，将制动力矩故障分为“性能优良”、“性能达标”、“一般故障”、“严重故障”四个等级：

a)若

表明当前制动力矩的安全裕量足够，视为“性能优良”；

b)若

表明当前制动力矩在正常范围内，但安全裕量较小，视为“性能达标”；

c)若

表明当前制动力矩已不足，可能会对制动器的制动性能造成影响，视为“一般故障”；

d)若表明当前制动力矩已严重不足，可能会对制动器的制动性能造成严重影响，视为“严重故障”。

7.制动力矩在线检测与故障预测装置(如图12所示)

制动力矩在线检测与故障预测装置包括：电源单元、信号采集处理单元、中央处理与控制单元、制动器工作参数调节单元、用户指令与参数输入单元、显示报警与控制单元。

(1)电源单元。主要用于向装置中的其他各个单元提供所需电源。

(2)信号采集处理单元。主要用于采集电机的运行参数，以及制动器的工作参数，包括转矩信号采集处理模块、电机电压信号采集处理模块、电机电流信号采集处理模块、转速信号采集处理模块，以及制动器工作参数信号采集模块。

其中，根据所采用的电机、制动器类型的不同，制动器工作参数信号采集模块存在区别：若为直流驱动型电磁制动器，则为绕组电流信号采集处理模块；若为交流驱动型电磁制动器，则为绕组电压信号采集处理模块；若为电力液压制动器，则为推动器电机转速信号采集处理模块。

(3)中央处理与控制单元。主要用于根据采集的信号进行实时分析与计算，包括自学习过程中的分析计算，电机输出转矩、制动力矩的实时计算，调节制动器合力矩的参数计算，以及制动力矩故障预测过程中的分析计算；此外，还用于对输入的用户指令及参数、显示报警与控制信息等的处理。

(4)制动器工作参数调节单元。主要用于对制动器的工作参数进行调节，以改变制动器作用于电机的合力矩。

根据制动器类型的不同，该单元的组成及连接方式会存在区别：若为直流驱动型电磁制动器，则为IGBT及PWM驱动电路；若为交流驱动型电磁制动器，则为双向可控硅及相关的驱动电路；若为电力液压制动器，则为变频器。

(5)用户指令与参数输入单元。主要用于输入检测过程中所需的用户指令(如自学习)及相关参数。

(6)显示报警与控制单元。主要用于对检测的制动力矩和相关的故障信息进行显示、声光报警以及发生故障时的安全控制。

本发明至少还具有以下效果：

(1)本发明的方案无需额外安装应变片或压力传感器等，无需对制动器的结构进行改造，具有安装维护方便，体积小，价格便宜，简单可靠等优点；此外，本发明方案在检测制动力矩时，不仅考虑了制动弹簧力的因素，还考虑了摩擦材料的影响，与现有技术方案相比，本发明提出的检测方法更可靠、更准确。

(2)本发明的方案即可适用于有变频器、编码器的大型机电设备(例如电梯、大型起重机等)，也可适用于无变频器、编码器等设备或工作机构(例如电动葫芦、升降机等)，具有适用范围广、易于实施推广等优势，且检测过程中无需堵转电机，避免了其他技术方案存在的损伤电机及摩擦材料的风险。

(3)本发明的方案能够实现制动器动态力矩的在线检测，而其他技术方案采用的电机堵转方法则无法实现。

(4)本发明的方案不仅实现了制动力矩的定量检测，还能够判别制动力矩的安全裕量是否足够，并提前预测是否发生故障等，可为制动器的安全性能检测、故障的判别与预测提供可靠准确的依据。

(5)本发明的方案适用范围广，能够适用于多种类型的制动器以及多种电机的组合，可广泛应用于各类起重机械、电梯、风电装备、电动汽车等领域，具有很好的应用价值和市场前景。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种制动器制动力矩的在线检测方法，其特征在于，该方法包括：

在线调节制动器性能参数，以调节制动器松闸力矩，从而改变制动器的合力矩，以使被制动电机不被堵转并稳定运行在额定工作点；

在线获取稳定运行在额定工作点的所述被制动电机的电机输出转矩；

在线测量所述制动器的工作参数；

基于所述制动器的所述工作参数在线计算所述制动器松闸力矩；以及

根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩，

其中，所述制动器松闸力矩T_R的具体计算公式为：

T_R＝k_Tθ_B ²，

k_T为比例系数；θ_B为所述制动器的工作参数。

2.如权利要求1所述的制动器制动力矩的在线检测方法，其特征在于，根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩的步骤之后，该方法还包括：

根据所述制动器的所述制动力矩和额定制动力矩对所述制动器进行故障预测。

3.如权利要求1所述的制动器制动力矩的在线检测方法，其特征在于，所述制动器包括：直流驱动型电磁制动器、交流驱动型电磁制动器和电力液压制动器。

4.如权利要求3所述的制动器制动力矩的在线检测方法，其特征在于，所述制动器为直流驱动型电磁制动器时，通过在线调节直流驱动型电磁制动器的绕组电流I_B，使直流驱动型电磁制动器的电磁拉力发生改变，并进而在线调节制动器的合力矩；

所述制动器为交流驱动型电磁制动器时，通过在线调节交流驱动型电磁制动器的绕组电压U_B，使交流驱动型电磁制动器的电磁拉力发生改变，并进而在线调节制动器的合力矩；

所述制动器为电力液压制动器时，通过在线调节电力液压制动器的推动器电机转速n_B，使电力液压制动器的液压推动力发生改变，并进而在线调节制动器的合力矩。

5.如权利要求1所述的制动器制动力矩的在线检测方法，其特征在于，所述被制动电机包括：三相交流异步电机、交流同步电机和直流电机。

6.如权利要求1所述的制动器制动力矩的在线检测方法，其特征在于，在线获取稳定运行在额定工作点附近的所述被制动电机的电机输出转矩的步骤，具体包括：

在线测量所述被制动电机的实时运行参数；以及

根据所述被制动电机的额定参数和所述实时运行参数计算所述被制动电机的所述电机输出转矩。

7.如权利要求1所述的制动器制动力矩的在线检测方法，其特征在于，根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩的步骤具体包括：

将所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩求和获得所述制动器的所述制动力矩。

8.一种制动器制动力矩的在线检测装置，其特征在于，该装置包括：

调节单元，用于在线调节制动器的合力矩，使被制动电机不被堵转并稳定运行在额定工作点附近；

第一获取单元，用于在线获取稳定运行在额定工作点附近的所述被制动电机的电机输出转矩；

第二获取单元，所述第二获取单元包括，用于在线测量所述制动器的工作参数的第二测量模块和用于基于所述制动器的所述工作参数在线计算所述制动器松闸力矩的第二计算模块；以及

计算单元，用于根据所述电机输出转矩和所述制动器松闸力矩实时计算所述制动器的制动力矩，

其中，所述制动器松闸力矩T_R的具体计算公式为：

T_R＝k_Tθ_B ²，

k_T为比例系数；θ_B为制动器的工作参数。

9.如权利要求8所述的制动器制动力矩的在线检测装置，其特征在于，该装置还包括：

预测单元，用于根据所述制动器的所述制动力矩和额定制动力矩对所述制动器进行故障预测。

10.如权利要求8所述的制动器制动力矩的在线检测装置，其特征在于，所述第一获取单元进一步包括：

第一测量模块，用于在线测量所述被制动电机的实时运行参数；以及

第一计算模块，用于根据所述被制动电机的额定参数和所述实时运行参数计算所述被制动电机的所述电机输出转矩。

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